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C919只是個開始:中國客機的下一個形態,已經在西工大試飛成功

2024-02-10科學

1919年德國把「鴿」式偵察機改造成了客機,從此拉開了民航蓬勃發展的大幕。隨後,民航客機進入了發展的快車道,各種布局型式層出不窮。

(鴿式偵察機)

1958年,波音公司研發的波音707正式交付。民用客機的基本構型至今再沒有發生大的變化。後掠翼、下單翼、吊掛式發動機、機翼和機身界限分明的常規布局型式就成為了今天我們常見的民用客機樣子。

(中國引進的波音707客機)

這種布局形式適合於大型噴射式飛機在1萬米高空以高亞音速巡航。在航空業界,這種布局被稱為「管—翼」布局。

後來的民航客機,雖然在航空材料、航空發動機、航電系統上都有長足的發展,但是在氣動布局上基本還是延用了波音707的型式。

當然,翼梢小翼和超臨界翼型的套用,壓榨了「管—翼」布局最後的剩余「價值」。時至今日,常規布局的氣動效率潛力已經算是「懸崖邊上扭秧歌——好日子到頭了」。

波音空客主流客機,可見氣動布局型式和波音707大差不差

特別在能源危機日益嚴重的今天,航空公司恨不得油箱裏有無限油、機艙裏能賣掛票。這意味著「更省油」「更能裝」是未來民用客機發展的必然趨勢。

這種情況下,翼身融合布局(Blended-Wing-Body,BWB)很有可能成為未來民用客機的選擇。

先行者,變扁了變大了

所謂的翼身融合布局,是指機翼和機身高度融合的升力體布局,也就是說機身和機翼沒有明顯的分界線,你中有我,我中有你。

這種布局形式早在二戰期間就被許多學者提出。但是完整的翼身融合布局最早是由客機研制的王者——麥道公司在1988年提出。

從時間上來看,大體上,翼身融合布局思想有三個階段。第一階段是1991年到2000年,第二個階段是2001年到2010年,第三個階段是2010年到今天。

第一個階段裏,麥道公司最為上心,先後提出過2個翼身融合布局方案。這一階段的翼身融合布局客機主打一個大。麥道家給的方案都是奔著載員800人往上去的。波音收購麥道後,也接過了翼身融合布局的鍋。那自然放的衛星也不小,計劃載員450人。

美國第一階段的翼身融合布局典型方案

這個時期的研究在於如何把機身變成升力體。此時的思路是把圓筒形的機身變成圓盤型的機身。這種設計可以透過降低浸潤面積的方式來降低阻力。

(BWB方案中機身的變化)

在降低阻力的同時,翼身融合布局方案裏的機身也承擔了一部份升力。這使得全機氣動載荷分布更加均勻,從而降低了全機結構重量。

(文獻中,翼身融合布局和常規布局在升力和氣動載荷上的對比)

雖然第一個階段裏,翼身融合布局方案已經體現了相對常規布局的優勢。但是此時的航空技術無法降低該布局下的氣動雜訊問題,因此,主流客機並沒有選擇這種方案。

追隨者,更低阻更安靜

第二個階段裏,歐美都積極參與了翼身融合布局的研究。這其中,NASA的推動非常重要。2000年之後,NASA推出了N+2/N+3計劃。受益於這個計劃,波音先後推出過一系列設計方案。

這一階段,各研究機構進一步加大了翼身融合布局的翼身融合度。翼身融合度的提高也進一步降低了飛機結構重量、提高了升阻比。

以波音Sugar Ray方案為例,該方案在前緣采用自然層流減阻技術,在亂流區采用了小肋減阻技術。這些技術保障了整機的升阻比很高。

在NASA推動的N+3計劃中,透過將發動機嵌入機身後部,有效減低了雜訊。

奔跑者,隊伍越來越大

近15年,翼身融合布局的研究進入了第三階段。這個階段,對這一布局的研究機構更豐富了。研究人員對翼身融合布局的研究也更偏向工程套用。

例如:面向未來客機高音速巡航這一特性,Dzyne技術公司對設計方案做了最佳化。它將貨艙和燃油箱放置在翼根處而不是客艙的下方。

(Dzyne技術公司給出的Ascent1000客機方案)

空客設計的方案不光對布局型式做了更改,甚至改變了客機的能源結構。他們給出了采用氫能源的翼身融合布局「ZEROe」。

(空客ZEROe方案)

一直在客機上表現差強人意的俄羅斯,也給出了自己的PPT方案。俄羅斯對翼身融合布局方案的研究不算晚。從1991年開始,俄羅斯著名客機設計局——圖波列夫設計局研究了多個方案。最著名的當屬圖-404方案。

(毛子的BWB方案)

加拿大、德國、英國、法國等國家在這一時期也紛紛進行了翼身融合布局在公務機、支線客機等不同類別客機上的套用。

進入新世紀來,中國在翼身融合布局上有了自己的思考和探索。 這其中最典型的方案分別是商飛給出的靈雀B方案,還有西北工業大學給出的NPU-BWB-300-II方案。

根據靈雀B方案設計的縮比驗證機在2017年4月21日湖北荊門漳河機場成功首飛。

(靈雀B驗證機)

西北工業大學根據NPU-BWB-300-II方案設計的縮比驗證機在2023年間先後進行多次試飛,對總體設計、氣動設計、飛行控制等技術進行了成功的驗證。

(西北工業大學NPU-BWB-300-II方案)

下一代?還要些時間

雖然越來越多的民用客機研究機構將眼光投向了翼身融合布局方案。但是,這一方案仍舊有三大問題難以解決。

(1) 飛機操縱相對困難

相較於常規布局,翼身融合布局在縱向、航向、橫向三個方向的操縱都更加困難。尤其在飛機進行滾轉轉彎時,靠近外側的乘客將承受更大的過載,影響乘坐體驗。

(2) 客艙布局的困難

按照現有翼身融合布局方案,每一排的座位數遠遠超過在現在寬體客機的7~9座。這使得客艙無論采用何種布局,都難以均衡地照顧到旅客的乘坐體驗。

(3) 緊急情況處置的困難

翼身融合布局的單排座位數較多,一旦發生緊急情況,那麽旅客的疏散將成為一個大問題。雖然前面提到的空客VELA方案進行了應急撤離的研究,但是相較於常規布局,翼身融合布局很難進行快速撤離。

除了上述三個難點,翼身融合布局還有雜訊、結構、營運、適航等多方面問題等要去解決。

這些問題隨著航空技術的進步,也許都會得到比較好的解決方案。畢竟航空就是人類挑戰自我的事業。

那麽,如果有一天翼身融合布局真的投入營運了,你會選擇乘坐嗎?